某型發(fā)動機缸蓋水套開裂分析及優(yōu)化

0 背景

缸蓋是發(fā)動機關(guān)鍵系統(tǒng)部件之一，由燃燒室、水套、氣道等復(fù)雜結(jié)構(gòu)組成，為噴油器、閥系等提供安裝支撐，承擔(dān)發(fā)動機氣體交換及密封燃燒室的重要作用

，承受發(fā)動機運行過程的高熱負(fù)荷及高爆發(fā)壓力產(chǎn)生的機械負(fù)荷。缸蓋在工作中受到低周熱疲勞損傷、高周熱疲勞損傷和蠕變損傷，其壽命和可靠性是發(fā)動機的重要指標(biāo)。某型柴油發(fā)動機在高速高負(fù)荷試驗至907h時，發(fā)現(xiàn)副水箱冷卻液液位緩慢下降，曲軸箱壓力逐漸升高、曲軸箱通風(fēng)管中機油乳化現(xiàn)象，進一步檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動機冷卻液進入機油致使機油乳化

。經(jīng)過拆解分析，鎖定缸蓋水套與油氣腔之間出現(xiàn)裂紋，發(fā)動機冷卻液泄露并流入機油導(dǎo)致。

結(jié)合金相、電鏡、斷口分析等手段，分析了開裂可能原因，并利用計算機仿真技術(shù)，基于生產(chǎn)水平進行迭代計算，鎖定失效根本原因。并基于失效產(chǎn)生機理，并從工藝和設(shè)計兩方面提出了優(yōu)化改善措施。經(jīng)驗證，優(yōu)化方案有效改善了鑄造品質(zhì)，提升了設(shè)計對制造過程、質(zhì)量的包容性，有效的解決了缸蓋排氣側(cè)微裂紋失效問題，對柴油發(fā)動機的設(shè)計開發(fā)具有較強的指導(dǎo)性。

自20世紀(jì)80年代以來，我國的商業(yè)銀行就已經(jīng)應(yīng)用信息技術(shù)管理實現(xiàn)了數(shù)據(jù)操作上的管理體系，并且進行了現(xiàn)代化電子銀行的建立工作，并且誕生了經(jīng)濟投資以及經(jīng)濟決策等多種銀行金融服務(wù)，并促使銀行也朝著現(xiàn)代信息技術(shù)管理的全方位金融銀行角度進行轉(zhuǎn)變?？梢哉f信息技術(shù)是提升銀行管理水平以及客戶服務(wù)水平的重要因素，也就要求各銀行管理人員能夠進行信息管理技術(shù)的合理應(yīng)用，借此促使我國銀行業(yè)的進一步發(fā)展。

1 故障現(xiàn)象確認(rèn)

拆檢故障發(fā)動機，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機氣缸蓋罩內(nèi)表面機油乳化嚴(yán)重，缸蓋油氣腔內(nèi)發(fā)現(xiàn)液態(tài)“水滴”，懷疑發(fā)動機冷卻液滲漏至油氣腔內(nèi)。利用副水箱泄壓口，對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行加壓測試，一段時間后發(fā)現(xiàn)副水箱液位下降，檢查發(fā)動機冷卻管路未發(fā)現(xiàn)外漏。向缸蓋頂部油氣腔噴肥皂水，識別出缸蓋排氣側(cè)第7缸蓋螺栓存在泄漏，對拆機缸蓋進行顏色滲透探傷檢查，確定缸蓋排氣側(cè)第7缸蓋螺栓安裝沉孔壁面存在微裂紋。故障如圖1-圖4所示。

2 開裂原因分析

2.1 拆機氣密性測試

對拆機缸蓋進行水套氣密性水試復(fù)測，發(fā)現(xiàn)缸蓋排氣側(cè)第7缸蓋螺栓安裝沉孔壁面存在輕微泄露，泄露區(qū)域與圖4吻合。根據(jù)氣密性測試結(jié)果，判斷該位置出現(xiàn)微裂紋導(dǎo)致冷卻液泄漏至回油腔。

為準(zhǔn)確評估該批次零件不合格質(zhì)量對失效的貢獻度，取同批次零件進行本體取樣測試材料疲勞特性，并利用本批次零件的實測疲勞特性進行CAE仿真迭代，在同步考慮殘余應(yīng)力的情況下，缸蓋設(shè)計疲勞裕度下降約20%，如11所示，在使用故障批次缸蓋實測材料疲勞數(shù)據(jù)情況下，失效區(qū)域疲勞安全系數(shù)處于設(shè)計臨界值。

通過工藝上的三管齊下，缸蓋的鑄造過程管控得到有效改善，質(zhì)量水平得到有效提升，材料性能明顯優(yōu)于失效批次缸蓋。

2.2 斷口分析

裂紋源附近和芯部分別任意選擇5個并排二次枝晶進行尺寸測量，實測均值53.1μm，超出50μm的設(shè)計要求，數(shù)值如表1。

進一步電鏡掃描，發(fā)現(xiàn)裂紋在水道R處表面多點萌生，裂紋源斷口為臺階狀撕裂，裂紋源處表層呈起伏狀，未發(fā)現(xiàn)原始裂紋痕跡，如圖6～圖8所示。擴展區(qū)呈河流花樣，基體有粗大貝殼紋，如圖9所示。

斷口分析總結(jié)：裂紋源在水道形狀突變的R處多點萌生，裂紋起始面凹凸起伏，掰開區(qū)斷口為撕裂和解理的混斷裂。

2.3 金相檢測

高中語文教學(xué)要曉之以理，動之以情，有效利用古詩文佳作，傳承優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的人文情懷。如王勃的“海內(nèi)存知己，天涯若比鄰”；李白的“我寄愁心與明月，隨風(fēng)直到夜郎西”；王昌齡的“寒雨連江夜入?yún)?，平明送客楚山孤。洛陽親友如相問，一片冰心在玉壺”；蘇軾的“秋雨晴時淚不晴”；秦觀的“柔情似水，佳期如夢，忍顧鵲橋歸路。兩情若是久長時，又豈在朝朝暮暮”；白居易的“在天愿作比翼鳥，在地愿為連理枝”；柳永的“衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴”；孟郊的“慈母手中線，游子身上衣。臨行密密縫，意恐遲遲歸，誰言寸草心，報得三春暉”；王維的“每逢佳節(jié)倍思親”等等，傳唱至今，歷久彌新。

掰開故障后觀察，可見裂紋起始于水道形狀突變的R處，呈放射狀擴展，斷面呈白亮色。樣品及斷口宏觀形貌如圖5所示。

2.4 材料成分檢測

針對失效缸蓋的位置，進行本體取樣測試材料成分檢測，檢測結(jié)果如表2所示?；跈z測結(jié)果，材料成分基本滿足設(shè)計要求，但Mg含量處于設(shè)計要求臨界值，在生產(chǎn)過程中需加強過程管控，避免在大批量產(chǎn)生中出現(xiàn)超差。

裂紋源處金相組織為：α(Al)枝晶 + 顆粒狀共晶硅，魚骨狀鐵相夾雜級別：1級(魚骨狀鐵相夾雜不明顯)，針狀鐵相夾雜級別：1級(針狀鐵相夾雜不明顯)，無明顯過熱過燒組織特征，如圖10所示。根據(jù)電鏡觀察，遠(yuǎn)離斷口處(約10mm)金相組織形態(tài)與裂紋源處基本一致。

2.5 殘余應(yīng)力檢測

為進一步評估殘余應(yīng)力對缸蓋開裂的貢獻度，對失效缸蓋同批次零件進行殘余應(yīng)力檢測。殘余應(yīng)力運用X射線應(yīng)力分析儀，采用側(cè)傾法測量、d-sin2Ψ進行應(yīng)力計算。測試結(jié)果如表3，同批次缸蓋殘余應(yīng)力實測30.1 MPa。根據(jù)與量產(chǎn)成熟產(chǎn)品在相同測試方法下對比，該批次缸蓋失效區(qū)域最大殘余應(yīng)力值明顯偏高。

2.6 基于生產(chǎn)水平進行設(shè)計校核

2.請學(xué)生當(dāng)識字寫字小老師。如在課堂上，讓學(xué)生分享自己學(xué)習(xí)和記憶這個生字的方法，高年級的學(xué)生已經(jīng)具備相應(yīng)的識字能力，因此對于生字的學(xué)習(xí)有自己的方法，而讓學(xué)生做小老師則是調(diào)動學(xué)生的而積極性，讓學(xué)生參與到識字、記字的過程中來。

總結(jié)，根據(jù)故障缸蓋同批次的實測材料疲勞特性校核結(jié)果，判斷本次缸蓋微裂紋根本原因為缸蓋鑄造質(zhì)量不合格導(dǎo)致材料疲勞特性下降，從而使缸蓋的設(shè)計疲勞裕度降低，最終缸蓋在熱負(fù)荷與機械負(fù)荷綜合作用下，在水套表面R圓角處萌生疲勞裂紋源，產(chǎn)生疲勞裂紋失效。

3 優(yōu)化方案

3.1 工藝優(yōu)化

針對失效批次出現(xiàn)的鋁合金成分中Mg含量處于下限臨界值，通過強化鋁合金材質(zhì)的入廠檢測，對熔煉爐中鋁合金成分進行定期抽檢、保溫爐中成分進行巡檢，把Mg含量內(nèi)控提升至0.65%～0.75水平，有效達成設(shè)計要求。

2.漸進(1964—1978年)：率先完成“四類分子”摘帽的經(jīng)驗。1964年1月14日，中共中央發(fā)出了《關(guān)于依靠群眾力量，加強人民民主專政，把絕大多數(shù)四類分子改造成新人的指示》，同時轉(zhuǎn)發(fā)公安部蹲點楓橋形成的《諸暨縣楓橋區(qū)社會主義教育運動中開展對敵斗爭的經(jīng)驗》。同年2月，第13次全國公安會議提出在全國推廣“楓橋經(jīng)驗”。

針對失效區(qū)域二次枝晶超出設(shè)計要求值，通過把澆注鋁件溫度從745°C降低至735°C，縮短鋁件的凝固時間，改善失效區(qū)域冷卻，提升該區(qū)域材料致密度及金相水平。通過驗證，失效區(qū)域二次枝晶水平改善明顯，優(yōu)化工藝后二次枝晶均值改善至46.3μm，達成設(shè)計要求水平。

針對失效件同批次零件殘余應(yīng)力檢測偏大，分析認(rèn)為產(chǎn)生交付產(chǎn)品殘余應(yīng)力大的原因為熱處理淬水參數(shù)不合格。通過將失效溫度調(diào)整為170°C±5°C，淬水溫度調(diào)整為75°C～78°C，有效改善了熱處理工藝產(chǎn)生的參與應(yīng)力水平。經(jīng)過復(fù)測，在新熱處理參數(shù)條件下，殘余應(yīng)力最大值下降37%。

東北大學(xué)王超[5]在2009年也進行了“新型余熱回收型鋁電解槽的研究”，研究對電流密度在1 A/cm2左右的電解槽側(cè)壁安裝換熱器的工作條件進行測試，并且找到了熔鹽的流量、換熱熔鹽入口溫度及進出口溫差、換熱功率等參數(shù)之間的變化規(guī)律，對進一步開展工業(yè)級余熱回收型電解槽研究及設(shè)計打下了良好基礎(chǔ)。

3.2 設(shè)計優(yōu)化

為進一步提升缸蓋的穩(wěn)健性，確保缸蓋量產(chǎn)使用中萬無一失，針對失效位置，進行缸蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提升設(shè)計安全裕度，提高對質(zhì)量、鑄造過程的包容性?；谏a(chǎn)水平的設(shè)計校核，材料性能降低時，缸蓋設(shè)計安全系數(shù)明顯降低；故為提升安全系數(shù)，需再結(jié)構(gòu)上進行加強，以提升設(shè)計安全裕度。具體方法為減小缸蓋水套厚度，提升缸蓋鋁合金壁厚，同時把水套分型線調(diào)整至遠(yuǎn)離失效風(fēng)險區(qū)域，把鑄造分型線的影響降低至最小，優(yōu)化后水套如下圖12。

女媧是中華民族共同的人文始祖，是一位充滿傳奇神秘色彩的始母形象。神話中的女媧先人類而生，功業(yè)一是造人，二是補天。

3.3 優(yōu)化方案校核

對結(jié)構(gòu)調(diào)整后的水套進行CFD分析，分析結(jié)果顯示，水套調(diào)整后，水套流速、流向基本未受影響。

針對工藝改進及設(shè)計優(yōu)化后缸蓋重新進行設(shè)計安全裕度校核，失效位置金屬溫度129°C～138°C，溫度遠(yuǎn)低于材料可接受使用溫度，如圖13；失效位置應(yīng)力值降低明顯，疲勞安全系數(shù)升至1.395，提升25%，改善明顯、滿足一般設(shè)計放行標(biāo)準(zhǔn)，且高于其他成熟量產(chǎn)機型設(shè)計安全裕度。

4 方案驗證

該優(yōu)化后缸蓋順利通過4臺模擬用戶臺架耐久試驗及3臺高周疲勞耐久試驗，且該發(fā)動機搭載多款整車完成完整的整車簽發(fā)試驗，未出現(xiàn)失效。目前該型發(fā)動機搭載皮卡及輕客車型已順利量產(chǎn)，年銷量超6萬臺，市場反應(yīng)良好。根據(jù)市場跟蹤收集的售后數(shù)據(jù)，上市多年未出現(xiàn)缸蓋失效問題。根據(jù)臺架耐久、整車耐久試驗及市場售后表現(xiàn)判斷，通過對工藝優(yōu)化及設(shè)計調(diào)整，有效的提升了設(shè)計對制造過程、質(zhì)量的包容性，改善了產(chǎn)品的穩(wěn)健性，有效解決了該缸蓋開裂問題。

5 結(jié)束語

本文針對某型柴油發(fā)動機在試驗中出現(xiàn)的缸蓋開裂問題，充分利用金相、斷口分析等技術(shù)手段，快速識別出失效原因，并從設(shè)計和工藝兩方便提出了優(yōu)化措施。優(yōu)化后的缸蓋安全系數(shù)更高、工藝性更好、包容性更強，經(jīng)耐久試驗后未再次出現(xiàn)開裂問題，且量產(chǎn)反應(yīng)良好，對其他柴油發(fā)動機的設(shè)計開發(fā)具有較強的指導(dǎo)意義。

[1]陳家瑞．汽車構(gòu)造(第五版)[M]，人民交通出版社，2006．

[2]李子旺．發(fā)動機集成排氣歧管氣缸蓋設(shè)計及流固耦合傳熱分析[D].沈陽理工大學(xué)，2020．

[3]任雪美，劉雨晨等．某柴油機缸蓋 CAE 分析及優(yōu)化設(shè)計[J]．柴油機設(shè)計與制造，2021(3)：1-5．

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